胶体晶体剪切模量微观影响因素的物理力学研究

Colloidal particles are treated as large atoms or molecules in temporal and spatial scale. Because of controllable inter-particle interaction and rich tools for observation, colloidal dispersions become to be an ideal model system to study condensed matter. Crystals formed by colloidal particles are also the new favorite in material science. Modulus is an important parameter charactering the mechanical properties of materials, and it also provides crucial clues to understand interior structure, interaction and structural stability. At present the study about shear modulus of colloidal crystal is on the focus. However, the current theoretical model describing the relation between modulus and interaction is imperfect and the theoretical values are approximate 40% larger than experimental ones. The reason is still unclear. According to our previous study, crystal defect ignored in the theoretical model may account for the deviation. Aiming at this problem, based on the home-made structure characterization and modulus measurement setup and computer simulation, we present a comprehensive study on the correlation between shear modulus and micro-structure, crystal defect and the broadening of spectral line. Finally, the theoretical model of shear modulus will be improved and the importance of interaction potential selection will be illustrated.

胶体粒子被视为在时间和空间上都高度放大了的原子分子，易于调控的相互作用力和丰富的观测手段，已使其已成为研究凝聚态物理的理想模型体系。胶体粒子形成的晶体也是材料科学研究中的新宠。模量是物质力学性能的重要参数，也对认识、理解材料内部的相态结构，相互作用力，稳定性等提供了重要线索。其中，胶体晶体剪切模量的研究就是当前的一个关注点。然而现存的联系剪切模量与相互作用势的模型给出的理论值却总比实验值高出约40%，这个问题至今没有合理的解释。根据我们的前期研究判断，这是由于理论模型并没有考虑实际晶体存在缺陷的问题。针对该问题，本申请拟通过粒子间相互作用调控晶体微结构，以已搭建的胶体晶体结构表征和模量测试一体化平台为基础，结合计算机模拟，利用反射光谱线展宽与晶格缺陷的联系，及高荷电粒子会形成空位缺陷等手段，验证说明缺陷对模量的影响和适当选取作用势的重要性，进而对目前剪切模量的理论公式做出必要修正和完善。

胶体晶体的模量是表征其力学性质的一个基本物理参数，但是长久以来胶体晶体相关的研究大都集中于结晶动力学方面，而对模量相关的研究并未给予足够的重视。目前胶体晶体模量相关的研究，存在两个最为显著的问题：第一，在剪切模量方面，理论值比实验值大40%左右的原因一直不清楚。第二，弹性模量的测量方法和使用混乱，甚至存在错误。针对这些问题，我们在本项目中开展了以下四个方面的研究：胶体晶体剪切模量理论计算公式的修正、胶体晶体剪切模量在结晶和熟化过程中的演变规律、胶体晶体体积模量的测量、胶体粒子溶液蒸发结晶机制及曲面结晶稳定性。研究结果表明：在计算胶体晶体剪切模量时，必须考虑晶体微结构不均匀度和微观粒子间相互作用势的影响，通过这两个方面的修正，可以使得剪切模量的理论值和实验值保持一致。另外，剪切模量的大小和结晶所处的阶段相关，在晶体结晶过程中，剪切模量基本不发生变化，而在晶体熟化过程中，剪切模量明显增大，熟化中晶界粒子数的减小是其主要原因。在弹性模量测量方面，我们指出目前使用的测量方法由于没有考虑与应力方向垂直的晶体应变被器壁限制的问题，事实上测量的并不是弹性模量，而是体积模量，并且静电法测量模量时也未考虑反离子在电极表面聚集导致的电极-溶液界面电势下降的问题。为此，我们重新设计了静电法的测量方案并建立了体积模量的理论公式，实验测量值和理论值具有较好的一致性。最后，我们在蒸发结晶实验中发现，扩散和对流输运是粒子运动的主要方式，晶体弹性能和界面能的竞争是晶体结构参量振荡的主要原因。本项目的研究结果，在认识晶体微观结构和微观粒子相互作用与宏观模量之间的关系、结晶与模量波动间的关系、澄清当前模量测量方面的混乱等方面具有重要价值。